Обзор технологии переключателей белого ящика

Коммутаторы типа «белый ящик» быстро развивались за последние три десятилетия. Open Networking Foundation (ONF), Linux Foundation, Open Compute Project (OCP), Telecom Infra Project (Telecom Infra Project, TIP) и другие организации с открытым исходным кодом внесли значительный вклад. Коммутатор белого ящика — это открытое сетевое устройство с разделением программного и аппаратного обеспечения. По сравнению с традиционным замкнутым коммутатором, объединяющим программное и аппаратное обеспечение, он имеет множество преимуществ:

Во-первых, коммутатор типа «белый ящик» использует открытую архитектуру устройства и идею разделения программного и аппаратного обеспечения. Он может настраивать базовое оборудование и программное обеспечение верхнего уровня в соответствии с потребностями бизнеса. По сравнению с пакетной покупкой и монопольным использованием традиционного программного и аппаратного обеспечения коммутатора это может значительно снизить стоимость покупки коммутатора. Кроме того, с точки зрения функций программного обеспечения, вторичная разработка может осуществляться на основе программного обеспечения с открытым исходным кодом, что сокращает цикл разработки и стоимость.

Во-вторых, коммутаторы типа «белый ящик» поддерживают программируемость аппаратной плоскости данных и контейнерное развертывание программного обеспечения. Они настраивают логику пересылки плоскости данных с помощью программно-определяемых методов и в полной мере используют современные технологии облачных вычислений для быстрого обновления и итерации сетевых функций для повышения гибкости, маневренности и производительности сети. Кроме того, с помощью контейнерного развертывания управление, эксплуатация и обслуживание могут быть упрощены унифицированным образом, что снижает затраты на эксплуатацию и обслуживание сети.

Наконец, «белый ящик» коммутаторов был единодушно признан вышестоящими и нижестоящими компаниями-коммутаторами, такими как производители микросхем, поставщики оборудования, поставщики облачных услуг и операторы связи. Это может связать развитие экологии белого ящика с открытым исходным кодом и промышленной экологии, чтобы сформировать процветающую сеть белого ящика. Сетевая экология может в конечном итоге способствовать постоянным инновациям и развитию сети, решать текущие бизнес-проблемы и удовлетворять будущие сетевые требования.

В настоящее время коммутаторы типа «белый ящик» сформировали сетевую экосистему с возможностями индустриализации. Они прошли путь от коммерческих программируемых чипов до стандартизации аппаратных устройств типа «белый ящик», от унифицированного интерфейса чипа до операционных систем коммутации с открытым исходным кодом. В этой статье сначала кратко описывается история развития коммутаторов типа «белый ящик», затем представляется текущее состояние коммутаторов типа «белый ящик» с точки зрения экологии с открытым исходным кодом и промышленной экологии, и, наконец, излагаются будущие тенденции развития, связанные с коммутаторами типа «белый ящик». .

История развития белого цвета.–коробочные переключатели

В , IBM, Compaq, Dell и другие компании одна за другой стали использовать коммерческие Linux-системы, а их сетевые технологии и связанные с ними экосистемы стали быстро развиваться.

В , Linux начал сочетаться с коммутационными микросхемами для предоставления высокопроизводительных услуг внутридоменной передачи данных с высокой пропускной способностью в сценариях центров обработки данных.

В целях дальнейшего продвижения коммерческой разработки коммутаторов Linux компании Nippon Electric (NEC) и Hewlett-Packard (HP) начали изучать технологию программного обеспечения коммутаторов и запустили коммутаторы с открытым программным обеспечением на основе OVS (OpenVSwitch). в 2010 году. Ресурсы и возможности сети были высвобождены, как никогда раньше, и сетевые операции начали двигаться в сторону автоматизации и интеллекта.

В , основанный на программной технологии коммутатора, OCP и другие организации начали обращать внимание на технологию виртуализации коммутатора. Они начали стандартизацию белого ящика аппаратного обеспечения коммутатора, запустили ONIE (Open Network Install Environment), FBOSS (Facebook Open Switching System), программное обеспечение для управления устройствами и стандартные документы контроллера ODL (OpenDaylight), которые добились значительных прорывов в области SDN. и переключатели белого ящика.

В , OCP успешно запустила первый коммутатор типа «белый ящик» Wedge. В то же время виртуализированные проекты и проекты «белого ящика», такие как OVN (открытая виртуальная сеть), виртуализированная сеть SDN, операционная система ONL (открытая сеть Linux), контроллер ONOS (открытая сетевая операционная система), а также OpenNFV и CORD в области телекоммуникаций, также возникали один за другим.

Основано в 2016, бурно развивались такие технологии, как оборудование «белого ящика», программные операционные системы и сетевая автоматизация. Операционные системы коммутаторов с открытым исходным кодом появляются одна за другой, такие как SONiC (программное обеспечение для открытых сетей в облаке), выпущенное Microsoft, OpenSwitch от HP и DANOS (дезагрегированная сетевая операционная система) от AT&T, а также Stratum, запущенный Google для NG-SDN. (SDN следующего поколения). В то же время на горизонте появляются решения для сетевого управления и контроля, такие как ONAP, интерфейс P4Runtime и Trellis, а сетевые технологии, связанные с коммутаторами типа «белый ящик», беспрецедентно процветают.

Экосистема коммутаторов с открытым исходным кодом в основном вращается вокруг нескольких организаций с открытым исходным кодом в стране и за рубежом:

1). Open Computing Project, отвечающий за разработку аппаратных стандартов для коммутаторов типа «белый ящик»;

2). Open Networking Foundation, который продвигает разработку и внедрение технологий, связанных с SDN, в коммутаторах типа «белый ящик»;

3). проект телекоммуникационной инфраструктуры, в котором исследуется использование технологии коммутатора белого ящика для изменения традиционного метода построения и развертывания инфраструктуры телекоммуникационной сети;

4). Комитет центра обработки данных с открытым исходным кодом работает с отечественными учреждениями для осуществления открытого, совместного, инновационного и взаимовыгодного развития инфраструктуры центра обработки данных.

Фонд открытых сетей

Open Computing Project (OCP) — это открытый аппаратный проект, запущенный Facebook, Intel, Rackspace, Goldman Sachs и Andy Bechtolsheim в 2011 году для обмена проектами с открытым исходным кодом. Он стал быстрорастущим глобальным кооперативным сообществом. OCP занимается перепроектированием аппаратных технологий, чтобы сделать их более эффективными, гибкими и масштабируемыми для поддержки растущих требований к вычислительной инфраструктуре. OCP предоставляет архитектуру для частных лиц и организаций, позволяющую делиться интеллектуальной собственностью с другими, и способствует открытости и популяризации услуг, технологий хранения и центров обработки данных за счет сочетания аппаратного и программного обеспечения с открытым исходным кодом.

Open Network Foundation (ONF) — это организация с открытым исходным кодом в области сетей, основанная Ником Маккеоном и Скоттом Шенкером в 2011 году, основными сторонниками SDN. Он направлен на содействие развитию и внедрению SDN и является признанным лидером и носителем стандартов в области SDN. С момента своего создания ONF успешно продвигала SDN как сетевую технологию следующего поколения, общепринятую операторами, поставщиками оборудования и поставщиками услуг.

Telecom Infra Project (TIP) — это открытая организация в области телекоммуникаций, возглавляемая Facebook в 2016 году. Она направлена ​​на изменение традиционного метода построения и развертывания сетевой инфраструктуры телекоммуникаций посредством совместного сотрудничества для разработки новых технологий.

Комитет открытых центров обработки данных (ODCC) под руководством Китайской ассоциации стандартов связи стремится к открытости, сотрудничеству, инновациям и взаимовыгодности. Основное внимание уделяется серверам, объектам центров обработки данных, сетям, новым технологиям и тестированию, граничным вычислениям, интеллектуальному мониторингу, управлению и т. д.

В экологии индустрии коммутаторов «белого ящика» была сформирована полная промышленная экологическая цепочка от вышестоящих поставщиков оборудования до нижестоящих поставщиков облачных услуг и операторов связи. Поставщиками оборудования в основном являются Cisco и H3C, которые предлагают рынку решения в стиле «белого ящика». Поставщики облачных услуг в основном включают Google, Microsoft, Alibaba, Tencent и т. д., и они начали изучать операционные системы коммутаторов типа «белый ящик» и использовать их для продвижения новых. Операторы связи в основном включают AT&T, China Mobile, China Unicom, China Telecom и т. д. Они используют коммутаторы типа «белый ящик» для трансформации бизнеса и реконструкции сети.

С точки зрения степени детализации, контролируемой устройствами, разработка сетевых устройств типа «белый ящик» на данный момент прошла два этапа. На первом этапе сетевое оборудование и его программное обеспечение централизованно контролируются владельцем сети. Функции или протоколы сетевого устройства можно изменять и настраивать удаленно. На данном этапе сетевое оборудование/программное обеспечение/интерфейс относительно закрыто, вместе с плохой функциональной совместимостью протоколов, жесткой логикой пересылки, длительным временем разработки новых протоколов/функций и высокими затратами на исследования и разработки, которые не могут удовлетворить потребности гибких и разнообразных новые сетевые функции.

Таким образом, сетевое оборудование постепенно превратилось во второй этап архитектуры открытого оборудования и управляемой пересылки пакетов данных. Первоначально фиксированный конвейер был преобразован в гибкую и программируемую PISA (независимую от протокола архитектуру коммутатора). Благодаря развитию сетевого программного обеспечения с открытым исходным кодом, такого как OVS, SONiC, FBOSS, FRR (FRRouting) и ONOS, непрозрачные и закрытые сети стали прозрачными и открытыми.

PISA (независимая от протокола архитектура коммутатора)

Масштаб сети продолжает расширяться, типы услуг продолжают увеличиваться, а сложность сетевого управления и контроля продолжает расти. Учитывая это, при управлении сетевым оборудованием необходимо отказаться от метода управления и обслуживания специальным персоналом и построить сквозную открытую систему «белого ящика», включая 5G, для достижения сквозного, нисходящего, полностью программного обеспечения. определенная программируемость. Необходимо принять открытую сетевую архитектуру с расширенным разделением программного и аппаратного обеспечения, гибкой программируемостью и изменениями по требованию. Он также должен стремиться удовлетворить дифференцированные и индивидуальные сетевые требования различных отраслей и ускорить глубокую интеграцию сети и реальной экономики.

Для плоскости управления сетью сетевому администратору нужно только описать поведение управления наверху, чтобы построить замкнутый цикл интеллектуального управления сетью. Сеть автоматически разделится, скомпилируется и запустится в соответствии с поведением. Сетевые ресурсы (включая облако, интернет-провайдера и сеть 5G) рассматриваются как программируемые носители. Ежедневная проверка и проверка в режиме реального времени выполняются с помощью автоматизации программного обеспечения.

Замкнутый цикл интеллектуального управления сетью

Для реализации вышеуказанных функций необходимо овладеть следующими тремя ключевыми технологиями:

(1) Высококонтролируемое обслуживание: исследование высокопроизводительного BFD (обнаружение двунаправленной пересылки) для реализации обнаружения состояния сетевых ресурсов на уровне миллисекунд;

(2) Высокоточное восприятие сети: на основе INT (внутриполосная сетевая телеметрия), телеметрии и т. д. Проведение высокоточных исследований сетевых измерений, реализация внутриполосной сетевой телеметрии и проверка того, соответствует ли каждый пакет данных или все состояния "правильный";

(3) Эффективное сетевое планирование: механизм маршрутизации SR, подходящий для крупномасштабных сетей, для достижения эффективного планирования и управления пропускной способностью и путями трафика.

 

Коммутаторы типа «белый ящик» предполагают несколько уровней сотрудничества, включая не только выбор и адаптацию оборудования, но и ряд новых сетевых технологий. Чтобы разобраться в архитектуре и технологиях, используемых в коммутаторах типа «белый ящик», и лучше продвигать технические исследования и экологическое строительство в этой области, в этой главе будут представлены ключевые технические моменты проектирования коммутаторов типа «белый ящик» с четырех аспектов: технология развязки программного и аппаратного обеспечения, программируемая сетевая технология, технология аппаратного ускорения и технология безопасности белого ящика.

1. Технология программно-аппаратной развязки

AT&T разбивает экосистему переключателей «белый ящик» на четыре уровня:

• Аппаратный уровень 1: Уровень коммерческих микросхем отвечает за базовую коммутацию и пересылку. В настоящее время не существует жесткого стандарта для этого слоя.
• Уровень программного обеспечения 1: уровень интерфейса чипа, который извлекает функции чипа и предоставляет услуги выше. Этот уровень в принципе требует стандартизации, но на это требуется время.
• Аппаратный уровень 2: уровень эталонного проектирования сетевых функций, который обеспечивает эталонное проектирование сетевых функций для аппаратных устройств. Этот уровень в основном включает в себя эталонный проект сетевой функции аппаратного устройства, сформулированный проектом OCP.
• Уровень программного обеспечения 2: Сетевая операционная система и уровень протокола отвечают за реализацию функций контроля и управления плоскостью. Этот уровень в основном включает в себя сетевую операционную систему и приложение сетевого протокола верхнего уровня, которое является наиболее важным уровнем.

2. Сетевая программируемая технология

Плоскость управления в основном выполняет централизованное управление базовым сетевым коммутационным оборудованием, включая мониторинг состояния, принятие решений о пересылке, обработку и планирование трафика плоскости данных, а также реализует такие функции, как обнаружение каналов, управление топологией, формирование политик и доставка записей в таблицах. Восходящие операции осуществляются через северные интерфейсы, чтобы обеспечить гибкую абстракцию сетевых ресурсов для бизнес-приложений верхнего уровня и систем управления ресурсами, а также открыть несколько уровней программируемых возможностей.

несколько уровней программируемых возможностей

Развитие технологии программирования плоскости управления принесет следующие преимущества:

1) Коммутаторы типа «белый ящик» используют сетевую операционную систему, аналогичную серверной, которая может использовать существующие инструменты управления сервером для автоматизации сети и поддерживает легкий доступ к пакетам серверного программного обеспечения с открытым исходным кодом. Он также может использовать тот же интерфейс управления конфигурацией на коммутаторе, что и на сервере, чтобы ускорить внедрение инноваций;

2) превратить специальную сетевую среду традиционных коммутаторов в более общую среду, чтобы эффективно расширять и управлять сетевыми службами, а также улучшать программируемость и сетевую видимость коммутаторов белого ящика;

3) Он может реализовать динамическую программируемость в сетевой операционной системе коммутатора через API и контроллеры. Он также записывает необходимые сетевые функции (например, сетевые разветвители), тем самым сокращая развертывание оборудования на каждом коммутаторе и централизуя управление сетью и мониторинг.

Традиционная плоскость данных закрепляет всю логику обработки и пересылки сообщений в сети в аппаратном чипе, который дополняется логикой чипа с полной скоростью передачи данных, что значительно повышает производительность сети. Однако он не может удовлетворить растущие требования современного программного обеспечения для бизнеса верхнего уровня и программного обеспечения для управления базовой сетью. Плоскость пересылки в значительной степени ограничена микросхемами ASIC с фиксированными функциями.

Традиционная микросхема переключателя и программируемая микросхема переключателя

Ядром программируемой сетевой технологии является чип-коммутатор с программируемыми характеристиками, то есть логика обработки и пересылки сообщений чипа может быть настроена по мере необходимости с помощью программного обеспечения. В настоящее время аппаратный носитель программируемой коммутационной микросхемы представляет собой комбинацию ASIC и FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица).

3. Технология аппаратного ускорения

В большинстве сценариев коммутатор отвечает за передачу пакетов сетевых данных, а обработка и расчет выполняются после того, как пакеты данных наконец прибудут на сервер назначения. Однако из-за быстрого роста сетевого трафика, ограниченного производительностью ЦП и чипов коммутации, существующая архитектура плоскости данных больше не может удовлетворять требованиям пользователей к низкой задержке и высокой скорости передачи.

Для решения вышеуказанных проблем карты аппаратного ускорения, такие как интеллектуальные сетевые карты и FPGA, могут быть интегрированы в плоскость данных, а технология аппаратного ускорения может использоваться для разгрузки сетевого трафика. Сокращение общей сетевой задержки и потребления ресурсов микросхем ЦП/коммутатора может значительно улучшить общую производительность и качество обслуживания сети.

Традиционная архитектура коммутатора по сравнению с архитектурой CPU+SmartNIC 

Плоскость данных может использовать гетерогенную комбинацию CPU+SmartNIC. CPU подключается к SmartNIC через высокоскоростной интерфейс PCIe. Во время процесса пересылки часть, которая требует специальной обработки для пакета данных (сетевая функция, которая потребляет огромные ресурсы CPU или имеет большой прирост аппаратной обработки), может быть напрямую выгружена на смарт-сетевую карту. Этот комбинированный метод может не только реализовать обычную пересылку сетевых пакетов, но и усилить возможности обработки устройства, что может эффективно улучшить производительность коммутатора white-box и сократить сетевую задержку.

4. Технология безопасности «белый ящик»

Открытая архитектура коммутаторов типа «белый ящик» имеет проблемы с безопасностью, которые нельзя игнорировать. Например, ONIE позволяет пользователям развертывать или заменять сетевые операционные системы (включая загрузку и восстановление сетевых операционных систем от таких поставщиков, как Big Switch Networks, Cumulus Networks и т. д.) без замены оборудования.

Воспользовавшись уязвимостями и недостатками ONIE, в том числе отсутствием аутентификации и шифрования, хакер может ввести вредоносный код на этапе загрузки коммутатора (т. е. до полной загрузки операционной системы). Загруженный вредоносный код считается известным/хорошим компонентом, поскольку программное обеспечение безопасности операционной системы не может работать на этапе загрузки. Даже если атака обнаружена, пользователям может дорого обойтись удаление вредоносного кода путем замены прошивки.

5. Архитектура устройства

Переключатель «белый ящик» разделен на две части: аппаратную и программную. Аппаратное обеспечение обычно включает микросхемы коммутации, микросхемы ЦП, сетевые карты, устройства хранения и периферийные аппаратные устройства и т. д. Его интерфейсы и структуры должны соответствовать спецификациям стандартизации OCP. Программное обеспечение относится к сетевой операционной системе (NOS) и ее веб-приложениям. В коммутаторе типа «белый ящик» NOS обычно устанавливается с помощью базовой программной платформы (например, ONIE). Уровень интерфейса микросхемы (такой как SAI) инкапсулирует аппаратные функции микросхемы коммутации в унифицированный интерфейс, разделяя приложение верхнего уровня и нижележащее оборудование. В частности, приложение верхнего уровня настраивает базовую логику пересылки, вызывая интерфейс микросхемы для обеспечения программируемой функции сети.

Аппаратные и программные уровни

Уровень аппаратной пересылки обычно включает в себя следующие типы устройств: 1) микросхемы коммутатора: используются для пересылки данных; 2) микросхемы ЦП: в основном управляют работой системы; 3) Сетевые карты: обеспечивают функции управления на стороне ЦП; 4) Запоминающие устройства: в том числе память, жесткие диски и т. д.; 5) Периферийное оборудование: включая вентиляторы, блоки питания и т. д. Среди них микросхема коммутации отвечает за коммутацию и пересылку базовых пакетов данных коммутатора и является основным компонентом коммутатора.

По данным CrehanResearch, закупки коммутаторов «белого ящика» Amazon, Google и Facebook в 2018 году превысили две трети от их общего размера рынка, хотя общее внедрение коммутаторов «белого ящика» на рынке в коммутации центров обработки данных находится в диапазоне 20%.

Но поскольку Amazon, Google и Facebook, как правило, внедряют эти устройства раньше, чтобы удовлетворить потребность в более новых и более высоких скоростях сети, коммутаторы «белого ящика» будут продолжать расти. Сегодня почти все центры обработки данных Google 400GbE оснащены коммутаторами типа «белый ящик».

Были выпущены стандарты упаковки оптических модулей 400G и электрические стандарты, и оптические модули 400G могут быть адаптированы к различным сценариям применения. Существуют две основные организации по стандартизации оптических модулей: IEEE и MSA.

MSA (Multi-Source Agreement) — это отраслевой стандарт, сформулированный представителями производителей в отрасли для конкретной области. Например, в области оптических модулей существуют стандарты упаковки SFF, MSA и стандарты реализации Оптические модули 100G: 100G QSFP28 PSM4 MSA и 100G QSFP28 CWDM4 MSA и т. д.

Что касается оптических модулей 400G, соответствующие MSA в основном включают 400G КСФП-ДД, 400G OSFP и 400G CFP8 относятся к упаковке, а 400G QSFP-DD CWDM8 относятся к режиму передачи. Соответствующие стандарты были сформулированы и опубликованы.

QSFP-DD-400G-LR4 от FiberMall

Кроме того, серия стандартов IEEE 802.3 специально определяет управление доступом к среде на физическом уровне и уровне канала передачи данных проводной сети. Среди них оптические модули 400G связаны с определением различных типов интерфейсов, зависящих от физической среды (PMD).

Выпуск соответствующих стандартов заложил основу для продвижения отрасли в коммерческих целях. Оптические модули 400G. В то же время многочисленные стандарты также помогают оптическим модулям 400G адаптироваться к различным сценариям применения с различными требованиями к расстоянию, количеству оптических волокон, скорости одиночной волны и т. д.